Mise au point d'un outil de simulation de situations accidentelles en réseaux souterrains B C R D Rapport final synthétique

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1 Mise au point d'un outil de simulation de situations accidentelles en réseaux souterrains B C R D Rapport final synthétique Autorisation de programme 1997 Subvention n notifiée le 27 juin 1997 (décision modificative du 21 août 2000) Direction des Risques Accidentels Juin 2001

2 Mise au point d'un outil de simulation de situations accidentelles en réseaux souterrains B C R D Rapport final synthétique Autorisation de programme 1997 Subvention n notifiée le 27 juin 1997 (décision modificative du 21 août 2000) JUIN 2001 PERSONNES AYANT PARTICIPE A L'ETUDE E. RUFFIN S. DAERON; L. FOURNIER, E. DANIN Rédaction Vérification Approbation NOM E. RUFFIN Y. MOUILLEAU B. FAUCHER Qualité Ingénieur à la Direction des Risques Accidentels Unité PHEN Ingénieur à la Direction des Risques Accidentels Directeur de la Direction des Risques Accidentels Visa Signé Signé Signé 1 / 62

3 TABLE DES MATIERES 1. RÉSUMÉ INTRODUCTION RAPPEL DES OBJECTIFS ET CHOIX INHÉRENTS AU PROJET Rappels et évolution des objectifs Choix concernant les développements numériques Choix concernant les développements expérimentaux Choix concernant les validations numériques et expérimentales PRÉSENTATION SYNTHÉTIQUE DES TRAVAUX NUMÉRIQUES : NEW- VENDIS Structure numérique de NEW-VENDIS Fonctionnalité des divers modules de New-Vendis Le pré-processeur Le processeur Le post-processeur Le Couplage 1D/3D Architecture fonctionnelle Implantation dans NewVendis Réflexions sur le couplage avec Phoenics Eléments informatiques PRÉSENTATION SYNTHÉTIQUE DES DÉVELOPPEMENTS EXPÉRIMENTAUX Le laboratoire maquette Le dispositif expérimental de validation du couplage 1D/3D La maquette d essai Simulation des sources accidentelles (incendie, fuite de gaz) Principes des essais réalisés PRÉSENTATION SYNTHÉTIQUE DES VALIDATIONS NUMÉRIQUE ET EXPÉRIMENTALE Validations numériques Cas d un réseau avec un ventilateur Validation du transfert thermique par convection et rayonnement Validation de l instationnarité Validations expérimentales Capteurs de pression Capteurs de vitesse d écoulement Capteurs de concentration Chaîne d'acquisition de données / 62

4 7. CONCLUSION ET PERSPECTIVES BIBLIOGRAPHIE RESUME L INERIS est depuis des années un acteur important de la sécurité dans les installations industrielles. Fort de cette expérience, l institut a développé ce projet de recherche en axant son effort notamment sur la possibilité d utiliser l évolution de l informatique actuelle afin d'ouvrir une nouvelle voie pour la simulation précise d événements accidentels (hors explosion) en milieux confinés. Les enjeux sont clairement la sécurité dans les espaces souterrains [1] et notamment les tunnels, structures qui deviennent de plus en plus complexes. Ce projet, qui recoupe certains des besoins associés à l élaboration ou à l expertise des Etudes Spécifiques de Dangers pour les tunnels routiers (nouveau contexte réglementaire français) vise les objectifs principaux suivants : - améliorer l évaluation des effets accidentels dans des ouvrages souterrains complexes, - élaborer un couplage informatique d un modèle unidimensionnel de ventilation en réseau avec un modèle tridimensionnel de calcul de dispersion (modèle CFD) de fumées d incendie et rejets toxique. - réaliser des cas tests expérimentaux afin d obtenir des données de validation du travail de développement numérique, - valider les développements réalisés. Dans ces objectifs, le couplage informatique de codes de calculs de différentes natures se situe clairement comme la clé d une évaluation améliorée des effets accidentels en milieux confinés. Ces effets sont la modification du comportement d un ouvrage (ayant une ventilation plus ou moins complexe) du fait de la présence de la source accidentelle ainsi que l impact de la variation du comportement de l ouvrage sur la source accidentelle elle-même. Dans ce projet, il a donc été mis en place un développement axé sur le couplage numérique de deux types de calculs : le calcul des réseaux de ventilation visant à estimer de comportement global d un ouvrage, le calcul de la dynamique des fluides représenté par les équations de Navier-Stokes (code CFD) visant à bien prendre en compte le comportement local d'une source accidentelle. Pour mettre en place ce couplage numérique et sa validation il a été créé : d une part, un nouveau code de calcul en réseau de ventilation New-Vendis - dont l architecture est adaptée pour échanger des informations avec un code de calcul externe (CFD ou autre) et permet la prise en compte de nombreux effets accidentels et naturels propres à un réseau de ventilation, d autre part, une installation expérimentale dédiée à l obtention de données de validation et plus généralement à la simulation d effets accidentels à échelle réduite. 3 / 62

5 Enfin, les données expérimentales obtenues sont utiles à la validation des développements numériques mais constituent aussi, à elles seules, des premiers résultats intéressants vis-à-vis de la simulation à échelle réduite d incendies en milieux confinés. 4 / 62

6 2. INTRODUCTION Fort de son expérience dans le domaine de la sécurité, l INERIS s est intéressé à l amélioration de l évaluation des effets accidentels dans les espaces souterrains. Dans le contexte où le projet a vu le jour (1997) il paraissait important d améliorer les moyens de simulation des effets accidentels dans les ouvrages souterrains pour les raisons principales suivantes : il est important d une part, de mieux prévoir les modes de fonctionnement et le dimensionnement des installations de ventilation et de divers éléments de sécurité permettant d éviter les effets des phénomènes accidentels - ce qui conditionne pour partie le coût d un ouvrage -, et d autre part, de définir les actions à mener pour limiter les effets d accidents, les différentes techniques de prévision des effets liés aux incendies et aux rejets gazeux accidentels ne sont applicables que pour des réseaux souterrains et des tunnels simples en considérant des conditions limites simplifiées qui sont souvent peu représentatives de la réalité, les effets des accidents dans des ouvrages complexes (réseau de métro, grands tunnels ferroviaires ou routiers, bâtiments ou stockages souterrains ) sont pratiquement impossibles à prévoir, simultanément, avec un niveau de précision satisfaisant, pour la globalité du comportement de l ouvrage et pour les effets locaux accidentels. Pour bien comprendre le problème prenons l exemple de l incendie. La simulation d un incendie en ouvrage souterrain engendre de nombreux phénomènes physiques (dont certains sont encore mal connus) tels que bien sûr le réchauffement de l écoulement d air présent dans la galerie où il se trouve mais aussi la production de fumées. Ces deux caractéristiques de base vont alors être modulées selon que le courant d air en galerie est fort ou faible, que les fumées se forment en une couche chaude (sont stratifiées) ou non ou encore que les fumées se propagent à contre-courant d air (backlayering) ou non. A ce stade, et si l on ajoute le fait que l incendie, de part sa puissance thermique, peut provoquer une variation de l équilibrage des débits dans un réseau de ventilation (tirage thermique), on comprend alors que la simulation du seul phénomène incendie en ouvrage souterrain ne peut pas être réalisée à partir d un seul type de code de calcul. A minima, il nécessite la prise en compte de phénomènes globaux (variation de débits d air dans le réseau) et la prise en compte de phénomènes locaux (dispersion tridimensionnelle des fumées). 5 / 62

7 Figure 2 1: Exemple schématique de la notion de phénomènes globaux d un réseau de ventilation et de phénomènes locaux liés à un événement accidentel. En première approche, on peut analyser la simulation des effets de rejets gazeux accidentels en réseaux souterrains de la même manière : besoin de simuler des phénomènes physiques globaux et locaux différents faisant donc appel à des outils de simulation différents. Plusieurs types d outils répondent partiellement à la modélisation des effets d un incendie cités précédemment [1], [2]. En théorie, les modèles CFD (Computational Fluid Dynamics, [3], [4]) permettent de décrire l ensemble des phénomènes puisqu ils peuvent intégrer des modèles de combustion et de transferts thermiques fluides et solides. Cependant, ils ne sont utilisables que dans les cas simplifiés (zones d écoulement de quelques dizaines à quelques centaines de mètres) pour des raisons de temps de calcul et de temps de préparation de ces calculs. De plus, ces outils de simulation demandent une utilisation prudente ainsi qu une bonne maîtrise. Pour palier au problème de temps de calcul, des modèles simplifiés, développés initialement essentiellement dans le cadre des incendies de bâtiments peuvent être utilisés [5]. Ces modèles, appelés modèles à zones, offrent une description simplifiée des phénomènes de stratification des fumées et peuvent prendre en compte des zones de panache thermique, de jets, de couches stratifiées Ils sont basés sur une description analytique empirique des différentes zones du domaine de calcul simulé, d où leur nom. On peut principalement leur reprocher de ne pas prendre en compte l ensemble des phénomènes physiques d un écoulement fluide du fait, généralement, de la non prise en compte du bilan de quantité de mouvement ou encore de l instationnarité, et d être réservés à des cas précis pour lesquels ils ont été validés. Dans ces cas, ils peuvent constituer une approche alternative intéressante aux modèles CFD suivant le niveau de précision demandé. Ils nécessitent généralement des temps de calculs très inférieurs à ceux requis par les modèles CFD, ce qui leur permet d aborder la simulation d'écoulements dans des zones confinées de grandes dimensions. 6 / 62

8 Cependant, ni les modèles CFD, ni les modèles à zones ne sont capables de simuler l équilibrage d un réseau aéraulique complexe comprenant éventuellement la description de plusieurs centaines de galeries. Les modèles mono-dimensionnels en réseau (modèles 1D) sont faits pour cela. Initialement, ils ont pu être développés pour des problèmes de ventilation minière (c est le cas à l INERIS, [6]), de réseau de distribution (eau, gaz, etc) ou encore pour la gestion des réseaux hydrographiques. Ils sont basés sur la simplification mono-dimensionnelle des équations générales de Navier-Stokes. Ils permettent de tenir compte de façon simplifiée des effets moteurs ou dissipateurs d énergie pour les écoulements fluides en réseau. Ils permettent en outre l intégration de termes additionnels dans les équations de façon à tenir compte d éléments particuliers pouvant être présents dans des réseaux de ventilation tel que des ventilateurs, des sas ainsi que, de façon simplifiée, d effets accidentels. Ainsi, pour palier au problème de la simulation correcte et simultanée des effets locaux et globaux - évoqués précédemment il devient naturel de penser à l exploitation des atouts de chacun des types de codes de calculs décrits brièvement ci-dessus soit : les modèle CFD, les modèles à zone et les modèles de réseau 1D. La convergence de ces atouts passe par ce que nous appellerons par la suite le couplage. On entend par couplage une liaison, qui techniquement, est une liaison informatique entre deux codes de calcul différents et qui, phénoménologiquement, permet une simulation physique adaptée des différentes zones d un écoulement global. La notion de couplage est un point fondamental de ce projet autour duquel se sont articulés les principaux travaux. Un autre point caractéristique des effets accidentels est que ceux-ci sont intrinsèquement transitoires [7]. En effet, une phase accidentelle de l exploitation d un ouvrage passe par : un contexte pré-existant, l occurrence de l accident et de son déroulement, les actions de protection mises en œuvre après détection de l accident, la maîtrise des phénomènes engendrés par l accident permettant le retour à une situation normale. L ensemble de ces phases représente un scénario accidentel. La bonne définition des actions d exploitation à mener lors d un scénario est un deuxième point fondamental permettant la limitation des effets d un accident dans un ouvrage souterrain. Ainsi, le projet a intégré dès le départ cet objectif qui nécessite de pouvoir prendre en compte des effets physiques très divers susceptibles de modifier la ventilation d un ouvrage souterrain. Très concrètement, suivant l ouvrage considéré, on devra savoir tenir compte d action sur la ventilation mécanique, et d autres éléments mécaniques divers, mais aussi de mouvements d objets pouvant créer des déplacements d air (ascenseurs, train, trafic automobile en plus des effets naturels tels que le tirage thermique ou encore des différences de pression atmosphérique d un endroit à un autre de l ouvrage. Les événements qui se sont déroulés au cours de ce projet (accidents du tunnel du Mont Blanc, du tunnel du Tauern, funiculaire de Kaprun) ont dramatiquement démontré l importance d une bonne maîtrise du déroulement d un scénario accidentel et donc des outils qui peuvent contribuer à la prévision des effets thermiques ou chimiques qui peuvent survenir au cours de tels événements. 7 / 62

9 Ces accidents, ont été un des facteurs déclenchant de l évolution rapide du contexte réglementaire français. On note ainsi, pour les tunnels routiers : la parution de la circulaire interministérielle n du 25 août 2000 relative à la sécurité dans les tunnels (d une longueur supérieure à 300m) qui prévoit de nouvelles procédures d autorisation, d ouverture et de suivi des tunnels routiers français, et notamment la réalisation d une Etude Spécifique des Dangers (ESD), la parution de la circulaire interministérielle n du 30 novembre 2000 relative à la réglementation de la circulation des véhicules transportant des marchandises dangereuses (VTMD) dans les tunnels routiers français, prévoyant notamment la réalisation d une Analyse Comparative des Risques (ACR) que représente le TMD sur tel ou tel itinéraire, Les conséquences directes de l application de ces circulaires sont, hormis la réalisation d ESD et/ou d ACR : l institution du Comité d Evaluation de la Sécurité des Tunnels Routiers (CESTR), pièce centrale du nouveau dispositif réglementaire, qui doit donner un avis sur la maîtrise de la sécurité dans ces tunnels, la prise en compte, dans le dossier de sécurité de l ouvrage, d un avis d expert sur l Étude Spécifique des Dangers. Les implications de ce nouveau dispositif réglementaire dans le domaine des transports sont nombreuses et rendent nécessaire l évolution des moyens de réalisation et d expertise des Etudes Spécifiques de Dangers. Le présent projet se place donc, dans ce contexte, comme une recherche permettant de développer de nouveaux outils capables d aider à la réalisation d ESD, et plus particulièrement à l évaluation des effets des accidents de type incendie et rejets gazeux. Notons, qu un projet de loi relatif à la sécurité des infrastructures et systèmes de transport est en préparation (METL - dossier de presse du 21 mars 2001) et pourrait étendre les demandes actuelles relatives aux tunnels routiers au domaine ferroviaire. Dans un contexte plus général de la sécurité en ouvrages souterrains, et de façon tout aussi importante, ce projet propose des développements pouvant être utiles à l étude des possibilités de stockages réversibles ou irréversibles des déchets radioactifs dans les formations géologiques profondes (loi du 30 décembre 1991) ou encore à la prévention des risques miniers en cours d exploitation ou après la fin de l exploitation (loi du 30 mars 1999). Par ailleurs, il offre également la possibilité d évaluer le comportement de certains réseaux de canalisations présents dans le milieu industriel comme, par exemple, l évaluation de fuites de réseaux gazeux en milieux confinés ou encore l évaluation des performances de réseaux d eau incendie. 8 / 62

10 Partant de ces constatations sur les objectifs fondamentaux du projet (le couplage) et des contextes potentiels de l utilisation d un tel futur outil, le projet a été organisé, pour inclure les travaux suivants : la création d un nouveau code (1D) de calcul en réseau de ventilation New-Vendis 1 ayant une architecture adaptée pour l échange d informations avec un code de calcul externe (CFD tridimensionnel ou autre) et permettant la prise en compte de nombreux effets accidentels et naturels adaptables à différents contextes d utilisation, la réalisation de la mise au point du couplage 1D/3D et donc la définition les échanges d informations à réaliser entre les deux codes de calculs pour aboutir à une simulation globale du réseau accidenté. Ce travail passe préalablement par la définition des techniques informatiques permettant ces échanges d information détaillée ici. la validation physique des résultats fournis par l outil 1D seul et le couplage 1D/3D comprenant plusieurs points importants : les comparaisons numériques et expérimentales des résultats fournis par l outil 1D, c est-à-dire les calculs d équilibrage de réseaux, la création d un nouveau moyen expérimental à échelle réduite, la réalisation d expériences dédiées à la validation du couplage 1D/3D, la réalisation des comparaisons numériques et expérimentales concernant le couplage 1D/3D. Le lecteur trouvera dans le présent rapport la présentation des différents travaux menés pour atteindre ces objectifs déclinés selon les quatre paragraphes principaux : - rappel des objectifs et choix inhérent au projet, - présentation synthétique des travaux numériques, - présentation synthétique des travaux expérimentaux, - présentation synthétique des validations numériques et expérimentales. Enfin, il est utile de souligner que ce projet, qui aborde des concepts nouveaux quant à la simulation des effets accidentels d incendie et de rejets gazeux en milieux confinés, a une vocation de recherche. Ainsi, les développements qui y sont faits et les résultats obtenus ne peuvent être directement appliqués dans un contexte d ingénierie. Il n en demeure pas moins que les développements réalisés dans ce projet l ont été dans l optique de permettre des évolutions à court terme dirigées vers des besoins d applications. 1 appelé aussi outil 1D ou modèle 1D ou outil de simulation par la suite. 9 / 62

11 3. RAPPEL DES OBJECTIFS ET CHOIX INHERENTS AU PROJET 3.1 RAPPELS ET EVOLUTION DES OBJECTIFS Très schématiquement, le projet consiste principalement à : 1. mettre au point un outil de simulation de situations accidentelles en réseaux souterrains nommé : New-Vendis, 2. réaliser et mettre au point le couplage (1D/3D) de deux codes de calcul (New-Vendis et Phoenics), 3. valider autant que possible les développements par voie numérique, théorique ou expérimentale. Comme tout projet, le présent projet a dû faire face à un certain nombre d aléas d ordre interne ou externe. On citera principalement, en plus des difficultés techniques liées à la mise en place d un nouveau laboratoire expérimental d essais à échelle réduite, la participation importante de l INERIS dans la gestion post-accidentelle, et de ces retombées sur le plan réglementaire, de la catastrophe du Mont Blanc (participation à l enquête technique administrative, participation à la réalisation des essais incendie durant l enquête pénale, participation à la rédaction de la circulaire du 25/08/00 instituant la réalisation d Études Spécifiques de Dangers ). Ces différents aléas nous ont contraints à réaliser le programme prévu sur une période effective d environ deux ans au lieu de trois. Cette réduction des périodes de réalisation des travaux a entraîné une révision des objectifs évoqués ci-avant de la façon suivante : concernant le travail sur le couplage : les principes prévus pour réaliser ce couplage ont été étudiés, la programmation et la validation des modes d échanges d information entre les codes de calculs ont été développés et testés, la validation physique du couplage 1D/3D n a pas été abordée ; concernant les essais expérimentaux : les moyens de production de données de validation sont opérationnels et ont été qualifiés, certains des essais nécessaires à la validation d un couplage informatique 1D/3D ont été réalisés, des essais complémentaires seront nécessaires, l exploitation des essais été principalement faite dans l objectif de mettre au point le processus expérimental et de s assurer de l obtention de données exploitables pour la validation du couplage de codes. 10 / 62

12 3.2 CHOIX CONCERNANT LES DEVELOPPEMENTS NUMERIQUES Une partie du travail consiste à savoir calculer précisément la ventilation d un ouvrage à l aide d une modélisation mono-dimensionnelle d un réseau de galerie. Cette modélisation 1D doit également permettre de définir de manière détaillée un scénario accidentel. On rappelle tout d abord que les effets accidentels considérés excluent les explosions. On s intéresse donc principalement aux dangers tels que les incendies ou les rejets massifs de gaz. Pour ces deux effets, on s intéresse donc à représenter le plus finement possible la propagation de fumées d incendie ou de gaz dans le réseau souterrain. On considère dans la modélisation du réseau souterrain l ensemble des effets physiques susceptibles d influencer le comportement de ce réseau. Ces paramètres d influence sont variables dans le temps de façon à obtenir des informations sur la dynamique du réseau et des effets accidentels qui sont transitoires par essence. Un autre objectif que doit atteindre l outil de simulation est qu une partie de cet outil doit être capable de représenter finement la zone accidentée ce qui peut être atteint par l emploi d un code tridimensionnel (3D) qui apporte une meilleure description géométrique et physique du phénomène local considéré et donc de son impact sur l équilibre du réseau de ventilation complet. Pour développer cette simulation il a été choisi dès le départ du projet de s intéresser à la description de la zone accidentelle tridimensionnelle à l aide d un code de calcul de type CFD (Computational Fluid Dynamics), codes de calculs qui permettent la résolution des équations régissant le mouvement des fluides : les équations de Navier-Stokes. Comme il a été précisé en introduction à partir de l exemple de l incendie, ce type de code n est pas le seul à pouvoir apporter un raffinement du comportement de la zone directement affectée par la source accidentelle (les modèles à zones peuvent également être envisagés), mais ce sont des codes largement répandus sur le marché et validés. De plus, certains offrent la possibilité d ajouter une programmation faite par l utilisateur qui est prise en compte dans le fonctionnement de l outil commercial de base. Ces deux aspects sont importants pour l ensemble du projet, et notamment le développement d échanges d information entre la partie monodimensionnelle de l outil de simulation et la partie tridimensionnelle. Il a donc été choisi d utiliser le code de calcul Phoenics pour aborder la simulation des effets tridimensionnels. New-Vendis Phoenics Raffinement local des effets accidentels (Couplage 3D/1D) Figure 3 1 : Calculs tridimensionnels locaux réalisés à partir de Phoenics. 11 / 62

13 Nous vivons une évolution rapide et constante des puissances informatiques. On notera simplement que depuis le démarrage du projet (1997) la fréquence des horloges internes des ordinateurs de bureau a été multipliée au moins par un facteur quatre. Cette évolution rapide des puissances des ordinateurs a influencé les développements numériques dans le sens ou il devenait envisageable de faire intervenir les codes CFD dans l évaluation d effets accidentels en réseaux souterrains tout en calculant avec un autre logiciel le comportement global de la ventilation de ces réseaux. Cette idée se renforcera à l avenir puisque les puissances informatiques seront encore croissantes dans les prochaines années. Aussi, l évolution liée aux réseaux Intranet et Internet facilite les développements numériques où l on fait appel à des besoins de communication. Sur ce point, le projet a un besoin évident : c est la communication des informations entre un code de calcul 1D et un code de calcul externe (3D dans notre cas). Il était alors intéressant de prévoir une plateforme de développement permettant l utilisation de ces connexions Internet. Une autre alternative était de développer l ensemble des deux codes de calcul (1D et 3D) pour mieux maîtriser leurs échanges d information, cette option a rapidement été abandonnée en début de projet. Celle-ci imposait des développements informatiques très lourds alors qu il était a priori possible de réaliser un couplage de code 1D et 3D en utilisant un code 3D du commerce. Ainsi, il a été recherché une plate-forme de développement conviviale permettant la gestion d un gros projet informatique tout en aboutissant à une utilisation rapide et aisée des développements. Pour ces raisons, et l INERIS ayant déjà eu avec cette plate-forme des expériences de développements informatiques importants dans le domaine de l acquisition de données pour la dispersion atmosphérique, c est le logiciel LabView qui a été choisi. Ce logiciel permet le développement de programme ayant une interface utilisateur conviviale (graphique)tout en offrant des fonctionnalités telles que : des bibliothèques mathématiques, la portabilité quasi transparente d un système Windows à un système UNIX, la gestion des réseaux informatiques et des applications client/serveur, la gestion des systèmes d acquisition de données Enfin, l outil de simulation doit être capable de prendre en compte les apports respectifs du calcul de scénarios accidentels en réseau de ventilation (monodimensionnel) et la simulation fine de la zone accidentelle (fumées d incendie et rejets gazeux tridimensionnels). Cette prise en compte dans la simulation globale, de la simulation 1D et de la simulation 3D est ce que nous appelons le Couplage des simulations 1D et 3D. Cette fonction de couplage a été intégrée dans l outil NewVendis lui-même. NewVendis donc intègre à la fois, le calcul de l équilibrage d un réseau de ventilation ainsi que la prise en compte du couplage de codes de calculs de par l orchestration des échanges d informations nécessaires. E ffets g lo b a u x : - réseau de ventilation - écoulem ent hom ogène - échanges d inform ations N e w -V e n d is E ffets lo ca u x : - source accidentelle - écoulem ent inhom ogène Phoenics Figure 3 2 : Représentation schématique des rôles respectifs de NewVendis et de Phoenics. 12 / 62

14 L'ensemble des travaux de développements numériques est présenté plus en détail au CHOIX CONCERNANT LES DEVELOPPEMENTS EXPERIMENTAUX Comme il a été introduit avant, les développements expérimentaux ont un objectif important de validation des phénomènes physiques pouvant être simulés grâce au couplage de codes de calcul différents. Il s agit donc là d un niveau de validation très fin où il s agit de savoir estimer les erreurs provenant de la simulation du réseau de ventilation, celles provenant de la simulation de la zone tridimensionnelle de calcul et celles provenant de la représentativité des effets de couplage, sans oublier les incertitudes inhérentes au processus expérimental luimême. Objectivement, ce niveau de validation nécessite une maîtrise parfaite des données de validation et donc des expériences. Il a donc été choisi de développer à l INERIS une maquette à échelle réduite permettant ce type de validation et une expérience dédiée à la validation du couplage 1D/3D. Ces développements expérimentaux sont décrits au 5. Plus généralement, l INERIS a choisi de développer l activité de simulation à échelle réduite, cette activité étant un bon complément exploratoire des moyens d essais en grand ainsi qu un bon moyen d obtention de données de validation numériques. L expérience dédiée à la validation des développements numériques du présent projet a donc été installée dans un laboratoire spécialement conçu et construit durant ce même projet. L installation complète est également présentée au CHOIX CONCERNANT LES VALIDATIONS NUMERIQUES ET EXPERIMENTALES Le problème étant de développer entièrement un nouveau code de calcul, les validations ont été menées pour les différents développements de base selon deux axes : des validations de modèles physiques à partir de résultats expérimentaux à petite ou à grande échelle, des validations de méthodes de résolutions numériques à partir de résultats analytiques théoriques ou bibliographiques D une façon générale, et de part l architecture mise en place pour l outil de simulation, les validations se rapportant à l objectif 1 (Cf. 3.1) se sont essentiellement portées sur la validation de l implémentation de modèles physiques existants et de leur intégration dans l outil global plutôt que sur le développement de nouveaux modèles physiques. En ce qui concerne les validations se rapportant à l objectif 2 elles ont finalement consisté principalement à la mise en d une nouvelle expérience spécifiquement développée pour cet objectif (Cf. 5). Les validations de cet objectif ont également porté sur les méthodes d échange d informations employées pour réaliser le couplage numérique de New-Vendis et de Phoenics. Le couplage numérique des codes est présenté au Une partie des travaux de validation est présenté au / 62

15 4. PRESENTATION SYNTHETIQUE DES TRAVAUX NUMERIQUES : NEW-VENDIS Originellement l INERIS a développé, à partir de 1976, un programme de calcul de ventilation en réseaux souterrains nommé Vendis [6]. Ce programme est capable, dans sa dernière version, de simuler de façon simple un incendie. Cependant, comme il a été souligné au chapitre précédent, l informatique a beaucoup évolué et les objectifs associés au présent projet ne sont pas compatibles avec un simple réaménagement du code Vendis. Il a donc été décidé de créer New-Vendis en étendant les capacités de l ancien code de calcul et en intégrant au mieux les objectifs du présent projet. On montre donc ci-après les principales caractéristiques de l outil New-Vendis créé durant ce projet. 4.1 STRUCTURE NUMERIQUE DE NEW-VENDIS La structure de New-Vendis est conçue pour pourvoir prendre en compte la simulation d effets globaux (réseaux de ventilation) et d effets locaux (effets accidentels). Dès le départ du projet, l objectif de couplage de code a été intégré dans la structure. Le schéma ci-dessous montre la structure de Vendis (ancien outil) et celle de NewVendis. Vendis New-Vendis Raffinement par ajout de branches Lois de Kirchhoff Théorie des réseau maillés Raffinement local des branches (sous modèle 1D) Raffinement local CFD (3D) Raffinement local Modèles à Zones Equations caractéristiques des mailles Résolution Hardy-Cross Comme on peut le voir, dans les deux outils, le raffinement local de la description des effets d une source accidentelle intéresse une partie centrale des codes de calculs. Dans le cas de Vendis, le raffinement de la solution se fait par ajout de branches contigües dans le réseau maillé. De cette façon, le nombre de branches à prendre en compte dans la résolution du calcul peut devenir important. Aussi, dans le cas de Vendis, la prise en compte d informations venant d un autre code est complexe car le raffinement de la solution ne fait pas appel à d autre modèle que le modèle général de propagation de l écoulement entre les branches du réseau. Il n est donc pas possible de faire appel à un modèle physique particulier dans une branche et à un autre modèle dans une autre. 14 / 62

16 Cette possibilité est intégrée dans New-Vendis. De ce fait la structure de l outil est plus complexe mais elle permet le raffinement local de la solution par des modèles différents. En fait, dans New-Vendis le réseau est principalement construit comme étant les branches strictement nécessaires à la description du réseau et des points nodaux en associant un raffinement local de l évaluation de la solution dans les branches désirées. Ce raffinement local étant obtenu par une discrétisation des branches (modèle de raffinement 1D) ou un modèle externe. Dans les deux cas, et c est là un concept très différent par rapport à Vendis. Le raffinement de la solution en un endroit du réseau revient alors à reporter l information de l effet du raffinement local aux nœuds de la branche concernée. Donc, conceptuellement, on reporte dans la méthode de résolution des réseaux maillés classiques, les informations données par un modèle de raffinement local de la solution. Deux types de modèle de raffinement ont été considérés durant le projet : le raffinement local par modèle 1D, ce qui sera appelé couplage 1D/1D, le raffinement local par modèle 3D (couplage 1D/3D). Structurellement, l intégration du concept de report d information aux nœuds d une branche rend a priori possible l utilisation d autre modèle de raffinement local, tels que par exemple les modèles à zones. 4.2 FONCTIONNALITE DES DIVERS MODULES DE NEW-VENDIS Du point de vue de l utilisateur, la structure générale du code de calcul n est pas différente de la plupart des outils de simulation et est composée : d un pré-processeur, d un processeur, d un post-processeur. Dans un premier temps, il s agit pour l utilisateur de décrire le réseau de ventilation en y déclarant les effets moteurs ou dissipateurs d énergie pour les courants d air et de fumées. Ensuite, il s agit de prévoir un raffinement local du calcul, soit par le couplage 1D/3D, soit en discrétisant la zone proche de la source accidentelle tout en restant dans une description monodimensionnelle de l écoulement (couplage 1D/1D). Cette description du cas de calcul est faite à l aide d un pré-processeur (intégrant un mailleur) qui est décrit au paragraphe Dans un second temps, il s agit de réaliser la simulation d un scénario. L utilisateur procédera alors au calcul du scénario décrit avec le pré-processeur à l aide d un processeur qui permettra la définition des paramètres globaux du calcul tels que par exemple les températures ou pression de référence, le temps de simulation ou encore la définition du stockage des résultats. Le processeur est décrit au paragraphe Enfin, l utilisateur peut faire appel à un ensemble de petits utilitaires permettant différentes analyses des calculs réalisés. L ensemble de ces petits utilitaires est appelé post-processeur par la suite et est décrit au paragraphe / 62

17 4.2.1 Le pré-processeur Généralités Le pré-processeur permet d une part la description de la géométrie du réseau de branches composant de réseau souterrain et d autre part la déclaration des effets moteurs ou dissipateurs pour les courants aérauliques. Commençons par la description de la géométrie. Tout d abord, le réseau aéraulique est considéré comme étant un ensemble de branches connectées entre elles par des nœuds. Chaque branche est alors définie par un point de départ, un point d arrivée et des points internes permettant d affiner la description géométrique de la branche. Les paramètres pris en compte pour chaque branche sont également : son nom, son diamètre hydraulique, le périmètre de sa section droite, des coefficients permettant de calculer les pertes de charges linéiques ainsi que le transfert thermique. Un exemple de boite de dialogue permettant la déclaration d une branche d un réseau est donné ci-dessous. Figure 4 1 : Interface de définition des branches constituant le réseau. D autres méthodes plus rapides de déclaration des branches d un réseau sont intégrées dans le mailleur tel que l utilisation des curseurs et des méthodes de duplication de branches identiques, ajout/supression de branches ou de points de discrétisation dans une branche, etc 16 / 62

18 Le nombre de branche du réseau est uniquement limité par la mémoire disponible sur l ordinateur. Notons d ailleurs que ceci est vrai pour l ensemble des fonctionnalités offertes par l outil de calcul. En effet, le logiciel qui a été choisi pour le développement (LabView) gère l allocation dynamique de la mémoire et n a pas besoin que la taille des tableaux de données soit prédéfinie contrairement à l ancien langage de programmation (Fortran 77). On donne ci-dessous deux exemples de réseaux de ventilation : un tunnel bi-tube ferroviaire et un réseau minier. Figure 4 2 : Cas d un réseau aéraulique de type tunnel bi-tube ferroviaire et d un réseau aéraulique de type ventilation de mine. 17 / 62

19 Donc, à partir du pré-processeur, l utilisateur peut réaliser toutes les opérations nécessaires à la description des galeries d un réseau de ventilation, même complexe. L utilisateur peut également décrire les effets moteurs ou dissipateurs des écoulements parcourant le réseau de branches. Ces effets sont alors renseignés à l aide de deux pointeurs sur les branches concernées. La présence de deux pointeurs permet de décrire des effets orientés ou non orientés ainsi que des effets mobiles ou dynamiques * au cours de la simulation. On entend par effets mobiles, des effets qui agissent sur des branches différentes du réseau durant la simulation, par exemple le déplacement d un solide qui crée un effet de pistonnement dans la branche où il se trouve à un instant donné et crée un effet similaire dans une branche adjacente l instant d après. Les effets, dont le positionnement ne varie pas dans le temps sont aisés à déclarer. Les effets mobiles sont un peu plus complexes à définir car il s agit alors de définir sur le réseau de ventilation les chemins que l effet mobile est susceptible de parcourir. Le pré-processeur donne la possibilité de définir ces chemins. Pour l instant l on s est uniquement intéressé à la description des effets de pistonnement d un mobile se déplaçant dans le réseau de ventilation mais les bases de la description à venir d autres effets mobiles sont établies. Les effets sont donc définis, à l aide du pré-processeur, sur le réseau de galeries préalablement défini par l utilisateur. Afin d élargir au maximum les champs d investigation possibles du présent projet et de ses applications potentielles futures, nous nous sommes intéressés à l identification des réseaux fluides qu il serait possible d étudier et leurs principales caractéristiques en termes d effets moteurs ou dissipateurs des mouvements fluides dans ces réseaux. Parmi les types d ouvrages, on a retenu : les mines, les stockages souterrains, les tunnels routiers, les tunnels ferroviaires, les procédés industriels à pression atmosphérique (sécheurs, fours ), les réseaux de canalisations à faible pression (gaz, liquide). Pour ces ouvrages, on a considéré que les principaux effets naturels, d environnement ou d exploitation à prendre en compte seraient : les frottements en paroi, les transferts thermiques et les mélanges gazeux, les effets d équipements et d action d exploitation (ventilateur, pompe, sas, clapets ), les effets de mouvement de mobiles (e.g. ascenseurs), de trafic (routier ou ferroviaire), les effets atmosphériques induisant des courants d air naturels, tels que les différences de température ou de pression entre des points du réseau et l extérieur. Concernant les effets accidentels, on a considéré la possibilité de simuler : les incendies et les rejets gazeux se développant dans le réseau, les fuites de gaz ou de liquide émanant d un réseau. * Les effets dynamiques sont ceux que l'utilisateur ne peut pas définir complètement, car ils dépendent de l'historique de calcul et donc de la solution trouvée au pas de temps précédent. 18 / 62

20 Ensuite, la structure du code de calcul a été pensée de façon à pouvoir déclarer de façon homogène les différents effets (naturels, d environnement, d exploitation, accidentels) à prendre en compte dans un réseau ainsi que leur modélisation dans le calcul. Dans ce but, les différents effets sont définis sous la forme de fichiers textes qui intègrent la description de la variation temporelle de chaque effet considéré au cours de la simulation (scénario d effet). Dans les équations de la dynamique du réseau aéraulique, ces effets sont alors traduits sous la forme de termes supplémentaires à ceux présent dans l équation de base (équation monodimensionnelle de la quantité de mouvement) à l aide de modèles physiques influençant une ou plusieurs des variables de l écoulement : le débit, la pression, la densité du fluide éventuellement dépendante de : la température, la composition chimique du fluide circulant dans le réseau aéraulique. Chaque effet intègre à l origine le concept de scénario. Un scénario traduit le caractère instationnaire de l effet que l on veut prendre en compte, comme par exemple la mise en route d un ventilateur, l ouverture d une trappe d extraction, phénomènes qui sont importants pour la modélisation d une situation accidentelle qui est par définition transitoire. Certains effets, les effets mobiles, sont en plus variables dans l espace, c est-àdire qu ils ont une position variable dans le réseau de ventilation en fonction du temps. On donne ci-dessous le format type de ces fichiers de scénario d effet : Ligne d'information concernant l'effet type d'effet 0 sous-type d'effet 0 Lignes d'information concernant l'effet " Lignes d'information concernant l'effet temps (s) paramètre n 1 variable dans le temps paramètre n 2 variable dans le temps paramètre n 3 variable dans le temps etc 19 / 62

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